Файл: Князев А.Д. Элементы теории надежности радиоэлектронной аппаратуры учеб. пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 25.07.2024
Просмотров: 76
Скачиваний: 0
МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО |
ЙѴРЕДШ^Р<А1#«Ц1£НОГО |
ОБРАЗОВАНИЯ |
СССР |
МОСКОВСКИЙ ордена ЛЕНИНА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
Кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры
А. Д. КНЯЗЕВ
Утверждено Учебно-методическим управлением МЭИ
в качестве учебного пособия для студентов
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ Н А Д Е Ж Н О С Т И РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ
АППАРАТУРЫ
Под редакцией С. А. СОРОКИНА.
Мооква |
1973 |
НА^ЧНО-ТЕХНИЧЕОЦАЙ |
У) Ч |
БИБЛИОТЕКА 0 0 0 Р |
-СУ J . - |
Учебное пособие составлено |
по |
материалам |
лекций |
|||
соответствующей части общего |
курса |
«Конструирование |
||||
радиоэлектронной |
аппаратуры», |
прочитанного |
студентам |
|||
радиофакулътета МЭИ |
в период |
1965—1968 гг. |
в |
пособии, |
||
Ограниченный |
объем |
сведений, |
изложенных |
определяется небольшим числом лехгсионных часов, посвя щенных вопросам надежности в упомянутом выше курсе.
Г л а в а І
ПРОБЛЕМА НАДЕЖНОСТИ
Безотказное выполнение функций — важнейшее требо вание к современным техническим изделиям* и системам, обеспечение которого является сложной научно-техничес кой задачей. Это требование может быть осуществлено только при выполнении определенных технических и орга низационных мероприятий, на стадиях конструирования, производства и эксплуатации изделий и систем. Разработка таких мероприятий базируется на теории надежности, пред метом которой является разработка общих методов повыше ния надежности, пригодных для различных по назначению технических устройств, в том числе и радиоэлектронных.
Под надежностью изделия в большинстве, случаев под разумевается вероятность его безотказной работы в течение определенного времени и в определенных условиях экс плуатации. Противоположным понятию надежности изде лия является понятие его ненадежности, т. е. вероятность неисправности изделия или его отказа выполнять заданные функции. Принято считать, что понятие надежности и не надежности исключают друг друга и, следовательно, изде лие может находиться в одном из двух состояний: или нор мальной работоспособности, или отказа.
Надежность изделия зависит от многих факторов, имею щих, как правило, случайный характер, чем и объясняется вероятностный характер этого понятия. Поэтому матема тический аппарат теории надежности основан на теории вероятностей и измерение величины надежности выпол няется статистическими методами. Количественно надеж ность определяется как величина вероятности безотказной работы изделия в функции времени и обозначается индек сом P(t) или сокращенно Р.
* Изделием 'Называется материальный продукт труда. Здесь и в даль нейшем под изделием подразумевается техническое устройство, элемент, узел, блок, прибор, аппарат и пр. Система состоит из ряда изделий, .на ходящихся в •определенной функциональной связи друг с др.усом.
3
Если через Т обозначить время исправной |
работы изде |
|||
лия |
до отказа, |
а через t — заданное время, в |
течение |
кото |
рого |
требуется |
определить вероятность безотказной |
рабо |
ты, то P(t) есть вероятность того, что случайная величина Т больше или равна t, т. е.
|
і>(0=Вер(7>0. |
|
(1-1) |
Вероятность |
безотказной работы |
изделия с |
увеличением |
/ уменьшается |
и, следовательно, P(t) |
функция |
убывающая. |
Как известно, при многократном повторении опыта в одних и тех же условиях вероятность случайного события определяется отношением числа опытов, благоприятных этому событию, к общему числу опытов. При эксперимен тальном (статистическом) определении1 величины P*(t) испытывают No однотипных изделий по одинаковой мето дике в течение интервала времени At. Если при этом п изделий выйдут из строя, то благоприятными случайными событиями считают сохранение работоспособности у ос тальных N(t) изделий:
ѵ ' |
No |
N0 |
v |
' |
Функция P*(t) имеет дискретный характер, выражая собой частость случайного события. Она приобретает более точное значение при увеличении числа А/о, времени At и числа интервалов Д^, на которые разделено время. Если при этом вышедшие из строя изделия не заменяются и не ремонтируются, вследствие чего число испытуемых изделий N (t) со временем уменьшается сравнительно с числом N0 в начале испытаний, то по результатам таких испытаний можно построить гистограмму, показанную на рис. 1.
Строго говоря, вероятность, рассчитанная по формуле (1-2), является только приближением к истинной вероятно сти, которую можно называть некоторой «оценкой вероят ности». Ее точное значение можно получить лишь при бес конечно большом числе испытаний
P*(t) = lim |
, |
(1-3) |
No^-™ |
No |
|
ДЛ-.0 |
|
|
1 Здесь и в дальнейшем величины, определяемые опытным путем ста тистическими методами, обозняічены индексом *.
4
где щ — число вышедших из строя изделий в интервале времени М і .
Поскольку переход к пределу практически неосущест вим, то истинную величину надежности определить невоз можно. Однако, применяя методы математической статисти-
РЩ
•At '—1 |
•4 |
Рас 1. Гистограмма распределения вели-
чииы «адежвости партии однотипных изде лий (сплошные линии). Функция 'надежно сти имеет убывающий характер (пунктир ная линия)
ки и вероятностные расчеты, можно получить количествен ную оценку надежности, близкую к истинной, и с достаточ ной для практики точностью.
s Указанное определение понятия надежности пригодно для простых неремонтируемых изделий, таких, как резисто ры, конденсаторы, транзисторы и др. элементы, или слож ных, но предназначенных для одноразового действия. При определении надежности изделий, ремонтируемых в усло виях эксплуатации, необходимо учитывать возможность восстановления, т. е. ремонтопригодность изделия, которая представляет собой приспособленность изделия к преду преждению, обнаружению и устранению неисправностей. Поэтому в общем случае надежность изделия количествен но определяется рядом его вероятностных характеристик
5
(параметров), которые зависят от свойств безотказности изделия и его ремонтопригодности.
Наряду с понятием о надежности изделия, существует понятие о его качестве. Оба понятия обладают и общ ностью и различием.
Качество изделия — это совокупность свойств, опреде ляющих его пригодность для использования по назначе нию. Надежность изделия — это совокупность его свойств, позволяющих сохранять качество при определенных усло виях эксплуатации и в течение определенного времени. Следовательно, надежность изделия — это' его качество, сохраняемое во времени.
Проблема повышения надежности в целом имеет боль шое значение для всех отраслей промышленного производ ства и сферы эксплуатации изделий. Отметим прежде все го ее экономическое значение. Промышленные изделия, как материальный продукт общественного труда, должны наи более эффективно удовлетворять потребностям общества. Повышение их надежности и увеличение долговечности эксплуатации эквивалентно дополнительному выпуску из делий и росту производительности общественного труда. Это может давать народному хозяйству миллиарды рублей годовой экономии на ремонте изделий и их дополнитель ном производстве. В некоторых случаях при повышении надежности изделий может отпасть необходимость в строи тельстве новых предприятий для увеличения выпуска. Во многих случаях повышение надежности изделия позволяет повысить требования к условиям его использования.
Развитие технических идей также базируется на прин ципе повышения надежности изделий, поскольку достиже ние высокой надежности — важнейшая цель технического прогресса. Нельзя достигнуть прогресса в авиации, если безопасность полета не обеспечивается надежностью само лета и его оборудования. Не может быть прогресса в авто матизации производства, если не обеспечивается надеж ность работы автоматических устройств. Количество по добных примеров нетрудно умножить.
Проблема надежности играет особо важную роль в деле совершенствования оборонной техники. Имеется немало примеров из минувшей войны, когда бесперебойное дейст вие военной техники способствовало выполнению боевой операции и, наоборот, когда ее отказы приводили к неус пеху операции. Чем выше надежность аппаратуры военно-
6
го назначения, тем проще и проблема материально-техни ческого обеспечения вооруженных сил. Радиоэлектронная аппаратура Советской Армии должна действовать безот казно в самых сложных условиях ее использования.
Нетрудно заключить, что в рассматриваемой проблеме важную роль играет фактор отказов в работе изделий. Чтобы найти закономерности в возникновении отказов не обходимо иметь четкие представления о характере и при чинах отказов.
Термин отказ, в противоположность термину надеж ность, означает событие, при котором нарушается нормаль ная работа изделия, вследствие чего оно либо полностью геряет способность выполнять заданные функции, либо его основные параметры находятся за пределами допусков, ус тановленных техническими условиями (ТУ) на изделие. Отказ — случайное событие и так же, как понятие надеж ности, является вероятностным понятием. Этот термин при меняется в следующих значениях.
Внезапный отказ — скачкообразное изменение парамет ров изделия из-за возникновения дефекта, причины кото рого случайны и не могли быть ранее обнаружены обыч ными методами контроля. Примеры: пробой диэлектрика конденсатора, обрыв нити накала электронной лампы, за мыкание витков обмотки трансформаторов и пр. Причина ми дефекта является наличие в структуре материала изде лия слабых звеньев, нарушающих прочность материала при воздействии внешних сил. Такими силами являются механи ческие нагрузки, электрические и магнитные поля, тепло вое воздействие и пр. Они нарушают внутренние связи между атомами и молекулами материала, еще более ослаб ляя его слабые звенья.
Различные материалы и различные их участки характе ризуются случайным состоянием слабых звеньев своей структуры и, следовательно, случайной величиной запаса прочности, фактическое значение которого невозможно контролировать с необходимой точностью. При концентра ции нагрузки на слабом участке возникает внезапное (скач кообразное) изменение параметра изделия в такой момент, который невозможно предсказать. С равным основанием можно считать, что дефект возникает в начале эксплуата ции изделия или по истечении некоторого времени, или в конце эксплуатации. Следовательно, внезапные отказы не возможно профилактировать, хотя вероятность их появле-
7
ния можно уменьшить путем ослабления механических, электрических, тепловых и других нагрузок.
Постепенный отказ — это постепенное изменение па раметров из-за износа и старения. Такие отказы часто на зывают износовыми. Примеры: постепенное уменьшение крутизны характеристики электронной лампы, ухудшение чувствительности радиоприемника, ослабление яркости свечения кинескопа, снижение мощности передатчика и пр. Возникновение постепенных отказов тоже определяется случайными причинами, но в отличие от отказов внезап ных, они могут предупреждаться профилактикой, в первую очередь, своевременной заменой элементов.
Эффект постепенного отказа изделия проявляется в виде такого изменения параметра, которое выходит за пре делы допуска, установленного ТУ на изделие. Например, коэффициент усиления iß полупроводникового триода мо жет измениться со временем настолько, что выйдет за пре делы норм ТУ на триод.
В ряде случаев эффект постепенного изменения пара метров может закончиться их скачкообразным изменением, что внешне может проявиться как внезапный отказ, хотя по существу это постепенный отказ. Например, пружина реле после длительной механической нагрузки может отказать из-за усталости металла, что может проявиться скачкооб разно. Конденсатор после длительной работы под напряже нием может пробиться вследствие постепенного снижения его электрической прочности, что также может проявиться скачкообразно. Чтобы понять существующие здесь различие рассмотрим более подробно пример с конденсатором. Воз действие напряжения нарушает электронную структуру ди электрика конденсатора и увеличивает в нем число свобод ных электронов. С течением времени это явление приводит
к снижению величины пробивного напряжения С/пр, сокра |
|||
щая |
запас электрической прочности |
конденсатора. |
Когда |
ипр |
сделается равным t/раб, то в момент ^0тк (рис. |
2) про |
|
исходит пробой диэлектрика. Однако |
выход из |
строя в |
этом случае определяется общим процессом старения ди электрика, закономерность которого в принципе может быть известной. Следовательно, такой отказ можно профилактировать своевременной заменой конденсатора. В этом существенное отличие постепенного отказа от внезапного.
Легко сделать вывод, что и постепенный отказ опреде ляется случайными причинами, вследствие которых умень-
8
шение запаса прочности имеет дисперсию (разбросы), за висящую, например, от случайных условий эксплуатации (механических и температурных нагрузок), качества ис пользуемых материалов и пр.
Полный отказ — это такое нарушение работы изделия, при котором изделие невозможно использовать по назна-
Рис. 2. Старение конденсатора характери зуется уменьшением величины его пробив ного напряжения U„p
чению. Примеры: обрыв вывода транзистора, сгорание ре зистора и пр. Внезапные отказы чаще всего приводят к полным отказам.
Частичный отказ — это такой, при котором возможно частичное использование изделия, хотя его параметры на ходятся за пределами норм ТУ. Примеры: уменьшение мощ ности передатчика в ряде случаев еще позволяет осущест влять радиосвязь, уменьшение точности измерительного прибора в ряде случаев допускает его практическое исполь зование и пр. Постепенные отказы в своей начальной ста дии могут приводить к частичным отказам.
Обычно подразумевается, что внезапный или постепен ный отказ элемента выводит из строя все изделие (узел, блок, прибор и пр.). Однако могут быть отказы, не влияю щие на выполнение изделием своих функций, как напри мер, сгорание индикаторной лампы, играющей вспомога тельную роль. Такие отказы называют второстепенными и по существу они являются дефектами изделия, не характер ными для оценки его надежности. И, наконец, различают зависимые отказы изделия, возникающие из-за ранее про изошедшего отказа другого изделия, и независимые, возни-
9